CN111870487A - 下肢康复机械外骨骼装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种下肢康复机械外骨骼装置及其控制方法，包括安装框架、设置在安装框架内的上身固定装置，以及设置在上身固定装置下端的穿戴式下肢外骨骼，其中：穿戴式下肢外骨骼包括相对布置的一对髋部骨骼架，在每个髋部骨骼架外侧铰接有大腿连杆，大腿连杆与髋部骨骼架间设置有第一气动肌肉，在大腿骨骼的下端还铰接有小腿连杆，小腿连杆与大腿连杆间还设置有用于第二气动肌肉，在小腿骨骼的下端还铰接有脚踏板，脚踏板与小腿连杆间设置有柔性驱动组件，在脚踏板上还设置有用于检测用户前脚掌与后脚掌屈曲角度的检测装置，对应检测装置还设置有控制箱。其效果是：柔性运动，与常规人体动作更为接近，并且动作范围更大。
Description
技术领域
本发明涉及机械外骨骼的技术领域，尤其涉及一下肢康复机械外骨骼及其控制方法。
背景技术
康复医学研究表明，脑瘫或下肢体损伤患者长期未进行下肢训练，会导致肌肉“废用性”萎缩，因此，在术后重症加强护理病房(ICUD患者身体体征平稳后，应尽早进行肢体康复训练，有助于其恢复肢体正常功能；然而，由于脑瘫或下肢损伤患者的下肢运动障碍，不能独立完成肢体康复训练，一般需要具有一定护理知识的医护人员帮助患者反复完成运动训练，这给ICU病房医护人员造成了极大的工作负担，更重要的局限是训练时间和强度不能精准把控，导致ICU患者训练难以取得最佳治疗效果。
有鉴于此，市面上出现了一些专门针对下肢损伤患者设计的康复理疗装置，如申请号为201810899312.9的中国发明专利申请公开的一种可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人包括人体体征采集模块、底座模块、下肢外骨骼、控制模块及康复评测***；基于模块化设计，针对不同患者特点，可实现人体下肢不同关节的康复评测及训练。
然而，由于上述下肢康复机器人采用刚性驱动器，而刚性驱动器对控制人机交互力存在一定难度，在使用过程中，存在失去稳定性的隐患，容易对人体造成伤害。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的其中一个目的在于提供一种柔性运动，与常规人体动作更为接近，并且动作范围更大，训练效果更好的下肢康复机械外骨骼装置，本发明的另一个目的在于提供一种基于前述下肢康复机械外骨骼装置的控制方法，旨在解决背景技术中所阐述的技术问题。
为了达到上述目的，本发明公开了一种下肢康复机械外骨骼装置，其关键在于，包括安装框架、设置在所述安装框架内的上身固定装置，以及设置在所述上身固定装置下端的穿戴式下肢外骨骼，其中：所述穿戴式下肢外骨骼包括对应人体髋骨相对布置的一对髋部骨骼架，在每个所述髋部骨骼架外侧铰接有对应人体大腿的大腿连杆，所述大腿连杆与所述髋部骨骼架间设置有用于调节二者间屈曲角度的第一气动肌肉，在所述大腿骨骼的下端还铰接有对应人体小腿的小腿连杆，所述小腿连杆与大腿连杆间还设置有用于调节二者间屈曲角度的第二气动肌肉，在所述小腿骨骼的下端还铰接有对应人体脚掌的脚踏板，所述脚踏板与小腿连杆间设置有用于调节二者间屈曲角度的柔性驱动组件，在所述脚踏板上还设置有用于检测用户前脚掌与后脚掌屈曲角度的检测装置，对应所述检测装置还设置有用于控制所述第一气动肌肉、所述第二气动肌肉、以及所述柔性驱动组件动作的控制箱。
更进一步地，所述柔性驱动组件包括相对安装在所述小腿连杆两侧的第一扭转电机和第二扭转电机，设置在所述第一扭转电机与所述第二扭转电机间的扭转管，以及固定连接在所述脚踏板上的弧形管件，所述扭转管的一端与所述第一扭转电机的输出轴连接，另一端通过所述弧形管件连接在所述第二扭转电机的输出轴上。
更进一步地，所述穿戴式下肢外骨骼还包括对应人体骶骨设置的骶骨支架，所述髋部骨骼架与所述骶骨支架的下端铰接，且所述骶骨支架与髋部骨骼架之间还设置有用于调节二者间屈曲角度的第三气动肌肉。
更进一步地，所述大腿连杆上设置有大腿束缚带，所述小腿连杆上设置有小腿束缚带，所述脚踏板上设置有脚掌束缚带。
更进一步地，所述上身固定装置包括固定连接在所述骶骨支架上端的上身固定马甲，所述上身固定马甲的门襟两侧设置多个有用于调节其间隙的卡接结构。
更进一步地，所述安装框架的底部还设置有与所述脚踏板配合的行走带。
更进一步地，所述脚踏板包括前掌区和后掌区，所述前掌区通过带扭簧的转轴与所述后掌区铰接，所述检测装置为角度传感器，所述角度传感器设置在所述转轴上。
基于上述下肢康复机械外骨骼装置，本发明还提供了一种下肢康复机械外骨骼装置的控制方法，包括以下步骤：
待机状态；
控制箱获取足底检测装置采集的用户前脚掌与后脚掌实时屈曲角度数据α1；对屈曲角度α1与预设屈曲角度阀值α进行比对，如α1≥α，则将其作为一次触发信号，根据在预设时间t内触发信号的数量进入对应模式；
当t时间内触发信号的数量仅为一次时，进入A模式，发送控制信号至A 模式对应气泵，通过依次控制左右第三气动肌肉的充气量，使大腿连杆在预设的时间阀值t1内完成左右交替的侧抬腿动作；
当t1时间到达时，通过气泵控制第三气动肌肉的充气量，使其返回待机状态；
当t时间内触发信号的数量为两次时，进入B模式，发送控制信号至B 模式对应气泵及柔性驱动组件，依次控制左侧下肢第一气动肌肉、第二气动肌肉和柔性驱动组件的动作，以及右侧下肢第一气动肌肉、第二气动肌肉和柔性驱动组件的动作，使大腿连杆、小腿连杆与脚踏板仿照人体的行走状态，在预设时间阀值t2内完成行走时左右脚交替的过渡动作。
当t2时间到达时，通过气泵控制第一气动肌肉、第二气动肌肉和柔性组件的动作，使其返回待机状态；
当t时间内触发信号的数量为三次时，进入C模式，发送控制信号至C 模式对应气泵，同时控制左右侧下肢第一气动肌肉、第二气动肌肉的充气量，使大腿连杆、小腿连杆在预设的时间阀值t3内完成左右脚同时抬起的高抬腿动作。
当t3时间到达时，通过气泵控制第一气动肌肉、第二气动肌肉的充气量，使其返回待机状态。
本发明的有益效果是：
上述下肢康复训练机械外骨骼装置通过设置第一气动肌肉、第二气动肌肉以及柔性驱动组件实现外骨骼髋关节、膝关节和踝关节动作，与人体下肢常规动作更加相似，满足柔性驱动的需要，增加了运转的稳定性，避免对人体造成伤害，达到了更佳的理疗康复效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的背部结构示意图；
图3为本发明的立体图；
图4为图1中A部的局部放大图；
图5为图3中B部的局部放大图；
其中：1-安装框架、2-上身固定装置、3-穿戴式下肢外骨骼、301-髋部骨骼架、302-大腿连杆、303-第一气动肌肉、304-小腿连杆、305-第二气动肌肉、 306-脚踏板、307-柔性驱动组件、308-检测装置、309-控制箱、310-第一扭转电机、311-第二扭转电机、312-扭转管、313-弧形管件、314-骶骨支架、315- 第三气动肌肉、316-大腿束缚带、317-小腿束缚带、318-脚掌束缚带、201- 上身固定马甲、202-卡接结构、203-安装腔、204-调节带、205-卡齿、206- 按钮、4-行走带、319-前掌区、320-后掌区。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1至图3所示，本实施例公开一种下肢康复机械外骨骼装置，其关键在于，包括安装框架1、设置在所述安装框架1内的上身固定装置2，以及设置在所述上身固定装置2下端的穿戴式下肢外骨骼3，其中：所述穿戴式下肢外骨骼3包括对应人体髋骨相对布置的一对髋部骨骼架301，在每个所述髋部骨骼架301外侧铰接有对应人体大腿的大腿连杆302，所述大腿连杆302与所述髋部骨骼架301间设置有用于调节二者间屈曲角度的第一气动肌肉303，在所述大腿骨骼的下端还铰接有对应人体小腿的小腿连杆304，所述小腿连杆 304与大腿连杆302间还设置有用于调节二者间屈曲角度的第二气动肌肉305，在所述小腿骨骼的下端还铰接有对应人体脚掌的脚踏板306，所述脚踏板306 与小腿连杆304间设置有用于调节二者间屈曲角度的柔性驱动组件307，在所述脚踏板306上还设置有用于检测用户前脚掌与后脚掌屈曲角度的检测装置 308，对应所述检测装置308还设置有用于控制所述第一气动肌肉303、所述第二气动肌肉305、以及所述柔性驱动组件307动作的控制箱309。
在本实施方式中，上述下肢康复训练机械外骨骼装置通过设置第一气动肌肉303、第二气动肌肉305以及柔性驱动组件307实现外骨骼髋关节、膝关节和踝关节动作，与人体下肢常规动作更加相似，满足柔性驱动的需要，增加了运转的稳定性，避免对人体造成伤害，达到了更佳的理疗康复效果。
如图4所示，具体地，所述柔性驱动组件307包括相对安装在所述小腿连杆304两侧的第一扭转电机310和第二扭转电机311，设置在所述第一扭转电机310与所述第二扭转电机311间的扭转管312，以及固定连接在所述脚踏板 306上的弧形管件313，所述扭转管312的一端与所述第一扭转电机310的输出轴连接，另一端通过所述弧形管件313连接在所述第二扭转电机311的输出轴上。
具体的，所述扭力管312通过弧形管件313连接呈U型，所述脚踏板306 通过轴套与所述小腿连杆304铰接，所述弧形管件313固定在所述轴套上，通过第一扭转电机310和第二扭转电机311扭转所述扭转管312，使得所述弧形管件313往复运动，从而调节脚踏板306与小腿连杆304间的屈曲角度。
在本实施方式中，扭转管312选用乳胶弹性管，利用持续扭转充满空气的细长乳胶弹性管，同步输出气压和沿着管的收缩力，从而实现了不受束缚的多模式流体驱动。该驱动方式成本极低，具备本体柔性，通过弧形管件313配合分别设置在扭转管312两头的第一扭转电机310和第二扭转电机311，能够控制脚踏板306在小腿连杆304末端仿造人体踝关节运动轨迹进行运动。
如图2所示，具体地，所述穿戴式下肢外骨骼3还包括对应人体骶骨设置的骶骨支架314，所述髋部骨骼架301与所述骶骨支架314的下端铰接，且所述骶骨支架314与髋部骨骼架301之间还设置有用于调节二者间屈曲角度的第三气动肌肉315。
在本实施方式中，通过控制第三肌肉的充气量可实现左右侧抬腿训练，因此扩展了穿戴式下肢外骨骼3的运动范围，具有更好的康复理疗效果。
具体地，所述大腿连杆302上设置有大腿束缚带316，所述小腿连杆304 上设置有小腿束缚带317，所述脚踏板306上设置有脚掌束缚带318。
在本实施方式中，大腿束缚带316、小腿束缚带317和脚掌束缚带318可分别约束用户的大腿、小腿和脚掌，使其随着下肢外骨骼的动作而动作。
如图3和图5所示，具体地，所述上身固定装置2包括固定连接在所述骶骨支架314上端的上身固定马甲201，所述上身固定马甲201的门襟两侧设置多个有用于调节其间隙的卡接结构202。
具体地，所述卡紧结构包括分别设置在所述门襟两侧的安装腔203和调节带204，所述调节带204的带面上设置有卡齿205，所述安装腔203中设置有与所述卡齿205配合的卡块，该卡块的中部通过转轴铰接在所述安装腔203 的腔壁上，且所述卡块的一端通过弹性件抵接在所述卡齿205上，卡块的另一端连接有按钮206，所述按钮206向外延伸出所述安装腔203外表面，当按压所述按钮206时，所述卡块脱离所述卡齿205，使得所述调节带204可沿所述安装腔203的长度方向滑动。
在本实施方式中，卡块与卡齿205配合，可以限定调节带204与安装腔 203的相对位置，当用户上身穿上上身固定马甲201后，可以根据用户的体型推动调节带204调节门襟开口大小，此时卡块的一端沿卡齿205的齿背滑动，因此调节更加方便，当调节带204调节到适应位置后，在弹性件的作用下，卡块的一端抵持在相应的两个卡齿205之间，因此此时调节带204无法从安装腔 203抽出，在训练结束后，按压按钮206使卡块的一端转动，此时弹性件压缩，卡块的另一端离开卡齿205，调节带204即可从安装腔203中抽出。
如图1至图3所示，为了在行走模式下配合下肢外骨骼动作，具体地，所述安装框架1的底部还设置有与所述脚踏板306配合的行走带4。
如图4所示，具体地，所述脚踏板306包括前掌区319和后掌区320，所述前掌区319通过带扭簧的转轴与所述后掌区320铰接，所述检测装置308 为角度传感器，所述角度传感器设置在所述转轴上。
在本实施方式中，角度传感器检测到脚踏板306前掌区319和后掌区320 相对角度大于预设阀值时，可触发控制箱309控制个气动肌肉和柔性驱动组件307执行相应动作。
基于上述下肢康复机械外骨骼装置，本发明还提供了一种下肢康复机械外骨骼装置的控制方法，包括以下步骤：
S1：待机状态；
S2：控制箱309获取足底检测装置308采集的用户前脚掌与后脚掌实时屈曲角度数据α1；对屈曲角度α1与预设屈曲角度阀值α进行比对，如α1≥α，则进入步骤S3；
S3：进入A模式，发送控制信号至A模式对应气泵，气泵驱动对应气动肌肉完成动作；
S4：判断A模式运行时间是否达到预设时间阀值t1，如是，返回待机状态后进入步骤S5；
S5：进入B模式，发送控制信号至B模式对应气泵，气泵驱动对应气动肌肉完成动作；
S6：判断B模式运行时间是否达到预设时间阀值t2，如是，返回待机状态后进入步骤S7；
S7：进入C模式，发送控制信号至C模式对应气泵，气泵驱动对应气动肌肉完成动作；
S8：判断C模式运行时间是否达到预设时间阀值t3，如是，则返回步骤 S1。
具体地，所述A模式为热身模式，通过控制第三气动肌肉315的充气量实现左右侧抬腿的热身动作；所述B模式为跳跃模式，通过控制两侧下肢的第一气动肌肉303、第二气动肌肉305和柔性驱动组件307完成脚掌同时抬起的跳跃动作；所述C模式为行走模式，通过先后控制左侧下肢的第一气动肌肉303、第二气动肌肉305和柔性驱动组件307以及控制右侧下肢的第一气动肌肉 303、第二气动肌肉305和柔性驱动组件307完成左侧下肢与右侧下肢配合走路时的交替过渡动作。
待机状态；
控制箱309获取足底检测装置308采集的用户前脚掌与后脚掌实时屈曲角度数据α1；对屈曲角度α1与预设屈曲角度阀值α进行比对，如α1≥α，则将其作为一次触发信号，根据在预设时间t内触发信号的数量进入对应模式；
当t时间内触发信号的数量仅为一次时，进入A模式，发送控制信号至A 模式对应气泵，通过依次控制左右第三气动肌肉315的充气量，使大腿连杆 302在预设的时间阀值t1内完成左右交替的侧抬腿动作；
当t1时间到达时，通过气泵控制第三气动肌肉315的充气量，使其返回待机状态；
当t时间内触发信号的数量为两次时，进入B模式，发送控制信号至B 模式对应气泵及柔性驱动组件307，依次控制左侧下肢第一气动肌肉303、第二气动肌肉305和柔性驱动组件307的动作，以及右侧下肢第一气动肌肉303、第二气动肌肉305和柔性驱动组件307的动作，使大腿连杆302、小腿连杆304 与脚踏板306仿照人体的行走状态，在预设时间阀值t2内完成行走时左右脚交替的过渡动作。
当t2时间到达时，通过气泵控制第一气动肌肉303、第二气动肌肉305和柔性组件307的动作，使其返回待机状态；
当t时间内触发信号的数量为三次时，进入C模式，发送控制信号至C 模式对应气泵，同时控制左右侧下肢第一气动肌肉303、第二气动肌肉305的充气量，使大腿连杆302、小腿连杆304在预设的时间阀值t3内完成左右脚同时抬起的高抬腿动作。
当t3时间到达时，通过气泵控制第一气动肌肉303、第二气动肌肉305的充气量，使其返回待机状态。
具体地，对应每一个第一气动肌肉303、第二气动肌肉305和第三气动肌肉315均设置一气泵，所述气泵集成在所述控制箱309内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (8)
1.一种下肢康复机械外骨骼装置，其特征在于，包括安装框架、设置在所述安装框架内的上身固定装置，以及设置在所述上身固定装置下端的穿戴式下肢外骨骼，其中：所述穿戴式下肢外骨骼包括对应人体髋骨相对布置的一对髋部骨骼架，在每个所述髋部骨骼架外侧铰接有对应人体大腿的大腿连杆，所述大腿连杆与所述髋部骨骼架间设置有用于调节二者间屈曲角度的第一气动肌肉，在所述大腿骨骼的下端还铰接有对应人体小腿的小腿连杆，所述小腿连杆与大腿连杆间还设置有用于调节二者间屈曲角度的第二气动肌肉，在所述小腿骨骼的下端还铰接有对应人体脚掌的脚踏板，所述脚踏板与小腿连杆间设置有用于调节二者间屈曲角度的柔性驱动组件，在所述脚踏板上还设置有用于检测用户前脚掌与后脚掌屈曲角度的检测装置，对应所述检测装置还设置有用于控制所述第一气动肌肉、所述第二气动肌肉、以及所述柔性驱动组件动作的控制箱。
2.根据权利要求2所述的下肢康复机械外骨骼装置，其特征在于，所述柔性驱动组件包括相对安装在所述小腿连杆两侧的第一扭转电机和第二扭转电机，设置在所述第一扭转电机与所述第二扭转电机间的扭转管，以及固定连接在所述脚踏板上的弧形管件，所述扭转管的一端与所述第一扭转电机的输出轴连接，另一端通过所述弧形管件连接在所述第二扭转电机的输出轴上。
3.根据权利要求3所述的下肢康复机械外骨骼装置，其特征在于，所述穿戴式下肢外骨骼还包括对应人体骶骨设置的骶骨支架，所述髋部骨骼架与所述骶骨支架的下端铰接，且所述骶骨支架与髋部骨骼架之间还设置有用于调节二者间屈曲角度的第三气动肌肉。
4.根据权利要求4任一项所述的下肢康复机械外骨骼装置，其特征在于，所述大腿连杆上设置有大腿束缚带，所述小腿连杆上设置有小腿束缚带，所述脚踏板上设置有脚掌束缚带。
5.根据权利要求4所述的下肢康复机械外骨骼装置，其特征在于，所述上身固定装置包括固定连接在所述骶骨支架上端的上身固定马甲，所述上身固定马甲的门襟两侧设置多个有用于调节其间隙的卡接结构。
6.根据权利要求5所述的下肢康复机械外骨骼装置，其特征在于，所述安装框架的底部还设置有与所述脚踏板配合的行走带。
7.根据权利要求6所述的下肢康复机械外骨骼装置，其特征在于，所述脚踏板包括前掌区和后掌区，所述前掌区通过带扭簧的转轴与所述后掌区铰接，所述检测装置为角度传感器，所述角度传感器设置在所述转轴上。
8.根据权利要求3-7任一项所述的下肢康复机械外骨骼装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
待机状态；
控制箱获取足底检测装置采集的用户前脚掌与后脚掌实时屈曲角度数据α1；对屈曲角度α1与预设屈曲角度阀值α进行比对，如α1≥α，则将其作为一次触发信号，根据在预设时间t内触发信号的数量进入对应模式；
当t时间内触发信号的数量仅为一次时，进入A模式，发送控制信号至A模式对应气泵，通过依次控制左右第三气动肌肉的充气量，使大腿连杆在预设的时间阀值t1内完成左右交替的侧抬腿动作；
当t1时间到达时，通过气泵控制第三气动肌肉的充气量，使其返回待机状态；
当t时间内触发信号的数量为两次时，进入B模式，发送控制信号至B模式对应气泵及柔性驱动组件，依次控制左侧下肢第一气动肌肉、第二气动肌肉和柔性驱动组件的动作，以及右侧下肢第一气动肌肉、第二气动肌肉和柔性驱动组件的动作，使大腿连杆、小腿连杆与脚踏板仿照人体的行走状态，在预设时间阀值t2内完成行走时左右脚交替的过渡动作。
当t2时间到达时，通过气泵控制第一气动肌肉、第二气动肌肉和柔性组件的动作，使其返回待机状态；
当t时间内触发信号的数量为三次时，进入C模式，发送控制信号至C模式对应气泵，同时控制左右侧下肢第一气动肌肉、第二气动肌肉的充气量，使大腿连杆、小腿连杆在预设的时间阀值t3内完成左右脚同时抬起的高抬腿动作。
当t3时间到达时，通过气泵控制第一气动肌肉、第二气动肌肉的充气量，使其返回待机状态。
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|---|---|---|---|
| CN202010928495.XA CN111870487A (zh) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | 下肢康复机械外骨骼装置及其控制方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112891857A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-06-04 | 卢宪基 | 一种骨科病人术后腿部锻炼设备 |
| CN112999019A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-06-22 | 长春工业大学 | 一种刚柔耦合的下肢外骨骼的穿戴康复机器人 |
| CN117718943A (zh) * | 2022-12-30 | 2024-03-19 | 爱布(上海)人工智能科技有限公司 | 一种肌肉运动检测*** |
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2020
- 2020-09-07 CN CN202010928495.XA patent/CN111870487A/zh not_active Withdrawn
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20201103 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |